二元合金团簇/MgO(001)/Ag(001)异质结磁性的电场调控

To solve the triangle dilemma consisted of thermal stability, information written and signal quality, it is a key scientific issue to design the magnetic storage materials with small size, large magnetic anisotropy energy and facilely manipulated magnetic properties by electric field. In this project, we will investigate the heterojunction of binary alloy clusters/MgO(001)/Ag(001) using genetic algorithm and first principles calculation. We will search for the variations of structures and magnetic properties of the complex system with the changes of cluster sizes, components, proportions, and the number of Ag layers. We will analyze the complicated interaction between cluster and surface, and between the interfaces, meanwhile, we will also discuss the response of the structure and magnetic property of complex system under external electric field, revealing the physical essence of the impact factors for magnetic anisotropy energy. Methods and rules regulating the magnetic properties of clusters will also be discussed, to understand deeply coupling mechanism of spin-orbit and spin-spin including the homogeneous atoms and heterogeneous atoms. The successful implementation of the project will theoretically provide new ideas and new ways in high-density magnetic storage.

为了解决磁信息存储中面临的一个由热稳定性、信息写入和信号质量组成的三角困境，设计出具有小尺寸、大磁各向异性能且磁性可以受外加电场调控的存储材料是目前需要解决的关键科学问题。本项目拟采用遗传算法和第一性原理对二元合金团簇/MgO(001)/Ag(001)异质结展开系统而深入的研究，探寻复合体系的结构和磁性随团簇尺寸、元素组分、配比以及Ag层数的变化规律，分析复合体系内团簇与表面以及界面之间的复杂相互作用，探讨外加电场对复合体系的结构和磁性质的调控，深层次理解复合体系内局域电子之间以及局域电子与离域电子之间的耦合机制，揭示影响磁各向异性能的物理根源以及调控磁性的途径和规律。本项目的顺利实施与成功将从理论上为设计高密度的磁记录材料提供新思路和新途径。

为了设计具有较大磁各向异性能（MAE）的磁存储材料，本项目利用第一性原理计算研究了一系列5d 过渡金属原子吸附在MgO(001)/Ag(001)(MA)的结构和磁性质，结果表明Re@MA和W@MA体系具有较大的面内磁各向异性能（MAE），其值分别为-60.6eV和-24.9eV。以W@MA体系为例研究了不同Ag层数对体系磁各向异性的影响以及不同的官能团（O,OH,NH2）对MAE的调控，OH 功能化体系的MAE达到了214.6meV，巨大的MAE起源于OH的配位场导致了费米面附近d轨道的双重简并改变了自旋轨道耦合的哈密顿矩阵元。采用密度泛函理论系统地研究了Bi原子吸附在MgO衬底上的结构和磁性质，发现Bi@MgO体系具有高的稳定性和大的垂直面内的MAE（204.76 meV）。而且Bi原子与衬底距离可以调控体系的MAE，当 h = 2.6Å时，体系的MAE达到了314.68 meV。通过分析d轨道分解的MAE和态密度，可以发现大的MAE来源于费米面附近准简并的 px/y，可调控的MAE来自于晶体场的变化导致Bi原子6p轨道的变化。采用第一性原理研究了过渡金属双原子吸附在MgO(001)衬底上的结构和磁性质，结果表明Co、Ir原子在底部的双原子可以垂直吸附在衬底上，而Rh，Pt在底部的双原子倾向于平行吸附在衬底上，Os在底部的双原子有可能是垂直也有可能是平行吸附在衬底上。Pt2@MgO(001)、Os2@MgO(001)和IrPt@MgO(001)的MAE分别达到了123meV，93meV和88.6meV。结合二阶微扰公式和态密度分析了上述体系具有大的MAE的物理机制。采用密度泛函理论在考虑SOC的情况下研究了FemIrn ，RumIrn和氧化镁支撑FemIrn， RumIrn的(FemIrn@MgO(m+n=3) , RumIrn@MgO(m+n=3) )结构和磁性质，发现团簇的成分和组分可以调控调控团簇的轨道磁矩和MAE，同时MgO衬底可以调控体系MAE的大小和易磁化轴方向，通过电子性质分析发现团簇成分和衬底改变了费米面附近d轨道的分布进而调控了体系MAE。本文的研究工作为调控具有较大MAE的磁存储材料提供了研究思路。到目前为止，在该项目的资助下，我们已经发表了8篇SCI论文，培养硕士生6名。